首次實現17量子位真正多體糾纏的完整表征

高質量、大規模糾纏的創建、控制和驗證，是研制強大量子計算機的核心基礎。糾纏是一種典型的量子現象，它使多個粒子的狀態內在關聯，正是這種特性賦予了量子計算超越經典機器的潛在指數級優勢。發表在PRL的論文《Full Characterization of Genuine 17-qubit Entanglement on the Superconducting Processor》標志著這一領域的一個關鍵里程碑，它展示了在17個超導量子位之間成功實現并經過嚴謹實驗驗證的真正多體糾纏。

量子態表征的巨大挑戰

隨著量子系統規模的擴大，描述其狀態的復雜度呈指數級增長。一個 N 量子位系統的希爾伯特空間維度為 2^N。對于一個相對“適中”的17量子位系統來說，其完整的密度矩陣 ρ 是一個21?×21?的矩陣，代表著超過 170 億個復數參數。量子態層析成像（QST）——即通過實驗重構密度矩陣的過程——需要對這些參數進行準確測量，這在經典方法中需要天文數字般的測量次數。面對超導處理器中固有的設備噪聲、不完美的態制備和測量誤差，使用傳統方法進行完整表征幾乎是一項不可能完成的任務。

可擴展的解決方案：純度正則化最小二乘估計

這篇論文的突破點不僅在于硬件的能力，更在于其分析方法上的創新。為了克服 QST 的指數級復雜性，研究人員引入了一種新穎的方法：通過狀態純度進行正則化的最小二乘（LS）態估計器。

標準的最小二乘法試圖找到一個密度矩陣 ρ~，使得理論預測的測量結果與實際實驗數據之間的差異最小化。然而，對于數據有限且有噪聲的大型系統，這可能會產生非物理或不準確的結果。純度正則化通過添加一個約束條件來解決這個問題，該約束引導估計的態 ρ~ 趨向于目標態預期的純度。

• 純度引導：像目標17量子位格林伯格-霍恩-塞林格 (GHZ) 態這樣的高糾纏態在理想情況下是純態。通過納入一個懲罰偏離預期純度項，估計器有效地減輕了測量噪聲和偏差的影響，穩定了狀態重建過程。
• 可擴展性：這種非迭代且計算效率高的方法，結合了像泡利稀疏性這樣的技術，使研究人員得以對17量子位系統進行完整量子態層析成像。這代表了當時已報告的最大規模的完整量子態重建，突顯了該方法在分析中大型量子態方面的可擴展性。

實驗驗證與保真度成果

利用這種先進的層析成像技術，研究人員成功地表征了在超導量子處理器上制備的17量子位 GHZ 態。通過計算實驗生成的態與理想目標態之間的態保真度來量化其質量。

• 對于使用純度正則化估計器重建的 17 量子位 GHZ 態，實驗測得的保真度為 0.6817(1)。
• 在純態假設下（這是分析 GHZ 態的常見做法），保真度達到了 0.7587(1)。

這些保真度值，特別是高于 0.5 的結果，具有至關重要的意義。

真正多體糾纏的認證

表征的最終目標是明確認證真正多體糾纏（GME）的存在。GME 是最強的糾纏形式，意味著量子態不能分離成任何較小的、獨立的量子位子集。

該論文通過成功證明糾纏判據被破壞來實現了這一認證。糾纏判據 (W) 是一種可觀測值（可測量的屬性），對于所有可分離（非 GME）態 σ，均滿足 Tr[Wσ]≥0，而對于糾纏態 ρ，則滿足 Tr[Wρ]<0。研究人員定義并測量了適合 GHZ 態的糾纏判據WGHZ。

高保真度（顯著高于 GHZ 態的 GME 閾值 0.5）以及糾纏判據的破壞，明確認證了該超導處理器已成功在所有 17 個量子位上生成并維持了 GME。這一確認至關重要，因為 GME 是許多先進量子算法和協議（包括容錯量子計算和量子糾錯）所需的資源。

對量子計算的更廣泛影響

這項工作超越了單純的破紀錄實驗，它為實現容錯量子計算提供了關鍵的洞察：

• 量子硬件的基準測試： 能夠可靠地創建并完整表征如此大規模的糾纏態，是衡量底層量子硬件性能的重要基準。它證實了多量子位門的質量、超導電路的穩定性以及錯誤抑制技術的有效性。
• 誤差緩解的必要性： 對純度正則化估計器的依賴和所實現的保真度清楚地表明，即使對于最先進的處理器，誤差緩解技術也并非可選項——它們對于從有噪聲的量子系統中提取有意義、準確的信息，并利用其計算能力是必不可少的。
• 可擴展的驗證： 所提出的 QST 方法是未來研究的模板。隨著量子處理器擴展到數百個量子位，像這種純度正則化估計器這樣能在減少測量開銷的同時提供高精度的方法，對于驗證量子資源的質量將是不可或缺的。

總而言之，這是一篇里程碑式的論文，它彌合了理論量子復雜性與實驗實現之間的鴻溝。通過同時展示大規模 GME 并提供一個可擴展、高保真度的表征工具，它鞏固了超導平臺在實現實用、通用量子計算的探索中的領先地位。